基金項目：

國家自然科學基金“均勻和非均勻被動式約束珊瑚混凝土強度及本構關系研究”（編號：52108201）；廣西科技基地與人才專項“被動式約束珊瑚混凝土受力機理研究”（編號：桂科AD22035999）；2023和2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“新型再生透水混凝土性能與結構設計研究”（編號：2023KY1170）、“鋼銑銷纖維增強再生混凝土抗沖擊黏結性能研究”（編號：2024KY1169）

作者簡介：

胡岳峰（1987—），碩士，高級工程師，研究方向：再生混凝土結構。

摘要：為研究再生混凝土火災后的殘余力學性能，文章設計完成考慮溫度和再生粗骨料取代率的高溫后單軸壓縮試件，觀測其高溫后的表觀形態(tài)、質量燒失、抗壓強度等情況，獲取火災后試件的應力-應變曲線。結果表明：經(jīng)歷高溫后，試件的表觀色澤發(fā)生明顯變化，在400 ℃后試件表觀出現(xiàn)微裂縫，裂縫數(shù)量隨溫度升高而增多，取代率越大，試件表觀損傷現(xiàn)象越嚴重；在200 ℃前，高溫對試件力學性能影響不大，在200 ℃后，隨著溫度的升高和粗骨料取代率的增加，試件峰值殘余應力、彈性模量急劇減小，而質量燒失率、峰值應變迅速增大；通過回歸分析建立高溫后再生混凝土殘余強度、峰值應變、彈性模量計算式和應力-應變關系式，其計算準確性較高。

關鍵詞：再生混凝土；火災溫度；殘余力學性能；粗骨料取代率；應力-應變曲線

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 02 004 5

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化高質量發(fā)展和國家“雙碳”戰(zhàn)略目標推進，城鄉(xiāng)基礎設施建設對混凝土的需求巨大，僅2022年我國混凝土產(chǎn)量約32.9×108 m3，其碳排放量占建筑業(yè)總量的28 %［1］。城市更新中產(chǎn)生大量的建筑固廢和工業(yè)固廢，再生混凝土固廢再利用實現(xiàn)資源可持續(xù)滿足綠色環(huán)保的要求［2］。

火災是建筑結構服役期間常見的一種災害，評估再生混凝土結構火災后服役性能須研究其殘余受力性能。再生混凝土火災后力學性能會降低已成為共同認知［3］。然而，對其火災后力學性能影響程度，各學者結論不同。例如，Zega等［4］稱由于再生骨料的熱膨脹系數(shù)與砂漿相近，減少高溫對界面過渡區(qū)的劣化程度，故而再生混凝土高溫后的殘余力學性能較普通混凝土好。與此相反，Chen等［5］指出由于再生骨料混凝土內孔隙更多，致使再生混凝土在火災后的殘余力學性能比普通混凝土損失更多。有些學者則認為再生混凝土在火災后的殘余力學性能與普通混凝土并無顯著差異［6］。綜上所述，由于再生骨料的來源不同，其物理性能有差異，各學者的研究結果很難量化對比分析。需根據(jù)再生骨料物理性能進行分類，基于不同再生骨料分類對再生混凝土進行火災后殘余力學性能研究［7］。

因此，為豐富再生混凝土火災后殘余力學性能更多數(shù)據(jù)和分析模型，本文根據(jù)《混凝土用再生粗骨料》［8］第Ⅰ類標準制備再生混凝土，對其火災后的峰值應力、峰值應變等殘余力學性能開展研究，評估溫度、取代率雙參數(shù)的影響，提出適用于第Ⅰ類再生粗骨料制成的再生混凝土火災后的應力-應變關系模型，可用于揭示再生混凝土結構火災后的損傷機理，為再生混凝土結構抗火設計、服役期現(xiàn)場救援、災后評估和加固提供參考。

1 試驗

1.1 配合比

本試驗以某高速公路廢棄混凝土為母材，選用符合《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）［8］的第Ⅰ類再生粗骨料，測得其物理指標如表1所示。

采用細度模數(shù)為2.8的中砂、P.O32.5R水泥、自來水等原材料，以C30普通混凝土為基準設計再生粗骨料取代率分別為0、50%、100%的三種再生混凝土配合比，如表2所示。采用標準立方體試件，每組不少于3個。

1.2 試驗方法

試件養(yǎng)護28 d后自然靜置兩月，首次稱重后再進行高溫加熱試驗。設計20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃共5種溫度工況。如圖1所示采用RX3-45-9高溫箱式電阻爐智能溫控系統(tǒng)自動控溫，參照過鎮(zhèn)海［9］的研究方法和胡岳峰［10］有限元熱應力仿真結果，采用10 ℃/min加熱至設定溫度再恒溫6 h，保持空氣對流自然冷卻12 h至室溫，而后觀測試件表觀形態(tài)，再次進行稱重，最后對高溫后試件進行單軸壓縮試驗，獲取應力-應變曲線關系。

2 結果及分析

2.1 表觀形貌與破壞模態(tài)

圖2呈現(xiàn)了各組試件不同高溫后的表觀形貌，表3給出了高溫后試件表觀裂縫情況。由圖2和表3可見，試件表觀色澤隨溫度的升高經(jīng)歷青灰（20 ℃）-青灰泛黃（200 ℃）-淺紅（400 ℃）-熏黑（600 ℃）-灰白（800 ℃）的變化過程。試件的表觀色澤幾乎不受取代率的影響。當溫度超過400 ℃后，試件表觀開始出現(xiàn)微裂縫，溫度越高，裂紋寬度和長度越大；當溫度達到600 ℃時，試件表觀開始出現(xiàn)脫皮、掉角現(xiàn)象；當溫度達到800 ℃時，試件出現(xiàn)嚴重的掉皮和崩角，甚至出現(xiàn)粉碎性爆裂。在相同溫度時，隨著再生粗骨料取代率的提高，試件表觀裂紋數(shù)量越多、裂紋擴展面越大。分析原因是高溫使試件內部水分被蒸發(fā)，引起混凝土基體發(fā)生收縮變形。此外，骨料和砂漿的熱工性能差異致使砂漿基體與骨料變形不一致，進一步產(chǎn)生了內應力，導致裂紋擴展。

圖3～4呈現(xiàn)試件的典型抗壓破壞模態(tài)。由圖3～4可見，再生混凝土高溫后的破壞模態(tài)與普通混凝土并無顯著區(qū)別，均呈現(xiàn)為正倒相連的四角錐形破壞。但隨著溫度的提高，試件的局部剝落更嚴重，同時還會出現(xiàn)骨料破壞的現(xiàn)象。此外，隨著再生粗骨料取代率的提高，破壞時的碎裂程度更嚴重。以上可作為再生混凝土結構火災后損傷評估定量判斷的參考。

2.2 質量燒失率

按式（1）計算得到各組試件高溫前后的質量燒失率結果如下頁圖5所示。由圖5可知，隨著溫度和取代率的升高，試件質量燒失率逐漸變大。200 ℃時，試件的質量損失主要是由自由蒸發(fā)而導致的，因此試件質量燒失速率較快；在200 ℃到600 ℃之間，試件的質量損失的主因則是結合水的蒸發(fā)，因此試件質量燒失速率相對200 ℃減緩；600 ℃后，試件表皮剝落、碎裂則是試件質量損失的主因，因此試件質量燒失速率加快。總體上取代率越大的試件質量燒失率越大，其原因是再生骨料比天然骨料有更大的吸水率，在試件內部存儲有更多的自由水。

msh=ms-mhnsh=msh/ms

（1）

式中：msh——試件高溫后損失質量即燒失量；

nsh——高溫后的燒失率；

ms——烘干質量；

mh——高溫后質量。

2.3 峰值應力

圖6呈現(xiàn)了高溫后再生混凝土峰值應力隨溫度和取代率的變化規(guī)律。由圖6可知，隨著溫度的提高，高溫后再生混凝土峰值應力逐漸減小，且峰值應力減小速率也隨溫度的升高而變大。相同溫度時，高溫后再生混凝土殘余峰值應力均隨取代率的提高而減小，但峰值應力減小幅度與溫度高低無關，這與蘇益聲［11］等學者的計算結果略有不同。經(jīng)歷200 ℃高溫后，不同取代率再生混凝土峰值應力下降幅度在10%以內；經(jīng)歷400 ℃和600 ℃高溫后，峰值應力下降幅度分別高達30%和60%，峰值下降幅度比吳波［12］等學者的計算結果更大?；谠囼灁?shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后峰值應力（殘余抗壓強度）計算公式如下：

RC0：fTc=-4.901×10-5T2+0.002T+30.521

RC50：fTc=-3.539×10-5T2-0.004T+25.902

RC100：fTc=-1.918×10-5T2+0.012T+21.781

（20 ℃≤T≤800 ℃）

（2）

圖6給出式（2）的計算值與試驗值的對比情況。由圖6可知，式（2）可以很好地預測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的殘余強度。

2.4 峰值應變

圖7呈現(xiàn)了高溫后再生混凝土峰值應變隨溫度和取代率的變化規(guī)律。由圖7可知，隨著溫度的提高，高溫后再生混凝土峰值應變呈現(xiàn)增大的趨勢，在20 ℃到400 ℃之間，峰值應變的增幅速率較??；當溫度超過400 ℃后，峰值應力的增幅速率急速上升。相同溫度時，高溫后再生混凝土峰值應變相對增幅小于普通混凝土。經(jīng)歷400 ℃高溫后，再生混凝土峰值應變相對增幅在40%以內；經(jīng)歷600 ℃高溫后，峰值應變相比增幅可高達250%?；谠囼灁?shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后峰值應變計算公式如下：

RC0：εTc=3.421×10-5T2-0.008T+2.438

RC50：εTc=5.327×10-5T2-0.018T+4.073

RC100：εTc=6.002×10-5T2-0.019T+4.276

（20 ℃≤T≤600 ℃）

（3）

圖7給出式（3）的計算值與試驗值的對比情況。由圖7可知，式（3）可以較好地預測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的峰值應變。

2.5 彈性模量

由圖8可知，以200 ℃為分界，隨溫度的提高，試件彈性模量先增大后減小，隨著取代率的提高，試件彈性模量也逐漸下降。經(jīng)歷400 ℃和600 ℃高溫后，彈性模量下降幅度的速率逐漸減小?；谠囼灁?shù)據(jù)分析得到再生混凝土高溫后彈性模量（應力-應變曲線上升段中40%峰值應力點對應的割線模量）計算公式如下：

RC0：Ec，T=-2.527×10-6T2-0.002T+3.126

RC50：Ec，T=-2.791×10-6T2-9.14×10-4T+2.392

RC100：Ec，T=-3.055×10-6T2-6.702×10-4T+2.303

（20 ℃≤T≤800 ℃）

（4）

圖8給出式（4）的計算值與試驗值的對比情況。由圖8可知，式（4）能基本預測經(jīng)歷不同高溫后的不同取代率再生混凝土的彈性模量。

3 應力-應變曲線

3.1 應力-應變曲線

經(jīng)歷不同溫度相同取代率和經(jīng)歷相同溫度不同取代率試件的應力-應變曲線分別如圖9和圖10所示。由圖9～10可知，由于初始損傷及高溫惡化作用，隨著溫度的提高，曲線逐漸趨于平緩，上升段和下降段斜率絕對值逐漸減小，峰值應力點逐漸向下向后移動。以200 ℃為分界，200 ℃前，高溫溫度對應力-應變曲線的影響較??；200 ℃后，高溫溫度的影響較大。隨著取代率的增大，試件應力-應變曲線也呈現(xiàn)出與隨高溫溫度提高相似的變化規(guī)律。

3.2 應力-應變關系

將各組試件的應力-應變曲線歸一化后可知再生混凝土高溫后應力-應變曲線與普通混凝土具有相近的幾何特征，因此本文采用過鎮(zhèn)海普通混凝土受壓本構方程：

y=σT/fTc=ax+（3-2a）x2+（a-2）x3

y=σT/fTc=x/b（x-1）2+x

0≤x=εTc/εTP≤1

x=εTc/εTP＞1

（5）

使用本文試驗數(shù)據(jù)按式（5）進行擬合得到各組試件的參數(shù)a和b的值如表4所示。隨著火災溫度的升高和再生粗骨料取代率的增加，a值逐漸減小、b值逐步增大，說明其材料脆性逐漸變大、延性逐步變差。這表明參數(shù)a和b的取值與火災溫度和取代率直接相關，經(jīng)數(shù)據(jù)回歸分析得到參數(shù)a和b與高溫溫度和取代率的關系式：

a=-0.517 5β-0.001 32T+1.766 48

b=1.717 5β+0.003 37T+0.549 7

（0%≤β≤100%，20 ℃≤T≤800 ℃）

（6）

聯(lián)合本構方程（5）、a和b擬合方程（6）就可以計算出不同取代率再生混凝土經(jīng)歷不同高溫溫度后的歸一化應力-應變曲線，再結合峰值應力計算方程（2）和峰值應變計算方程（3）就可以將歸一化應力-應變曲線還原為真實應力-應變曲線。圖11～13給出了部分試件的計算曲線與試驗曲線的對比情況。由圖11～13可知，相同取代率再生混凝土在不同溫度擬合曲線與試驗曲線吻合，可見本文的模型能較好地吻合試驗曲線，可供再生混凝土結構工程的抗火設計參考。

4 結語

（1）隨著火災溫度的升高，再生混凝土試件表觀色澤經(jīng)歷從青灰到灰白的變化過程，在400 ℃后出現(xiàn)微裂縫，裂縫面積隨溫度升高而擴大，800 ℃試件出現(xiàn)爆裂。取代率越大，試件表觀損傷越嚴重。

（2）隨著火災溫度的升高和取代率的加大，再生混凝土試件殘余峰值應力和彈性模量急劇減小，而平均質量燒失率和峰值應變則迅速增大。200 ℃是再生混凝土高溫后殘余力學性能的轉折點，200 ℃之前對力學性能影響不大，200 ℃之后力學性能急劇下降。

（3）建立了高溫后再生混凝土殘余強度、峰值應變、彈性模量計算式和應力-應變關系式，各公式計算結果與試驗值吻合較好。

參考文獻

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